设计一个*线性* MOSFET驱动器级

我正在寻找可以放置在运算放大器和功率MOSFET之间的MOSFET驱动器电路，以将晶体管用作线性放大器（与开关相对）。

背景

我正在开发一种电子负载电路，该电路必须能够在大约1µs的时间内调整负载。最重要的步长很小，例如100mA，尽管一旦得出结论，我可能还希望获得2.5A / µs的大信号步长。它应能承受1至50V的电源，0至5A的电流，并且能够消耗约30W的功率。

这是当前电路的外观。自从出现在较早的问题中以来，我已经用能够找到的最小电容器件替换了MOSFET（IRF530N-> IRFZ24N），并在保持较高带宽的同时，又选择了宽摆率，高摆率运算放大器（LM358-> MC34072）在软糖地区。为了稳定起见，我目前在运算放大器上运行约4的增益，这使我获得了大约1MHz的带宽。以下是有兴趣的人的进一步背景。

问题

虽然电路的性能相当好，但现在的问题是，稳定性很不稳定：)它不会振荡或类似的东西，但是阶跃响应的范围可能从过阻尼（无过冲）到过阻尼（20％）过冲，三个颠簸），具体取决于要加载的信号源。较低的电压和电阻源是有问题的。

我的诊断是，MOSFET的增量输入电容既对负载源的电压敏感，又对任何源电阻产生的米勒效应都敏感，并且实际上会从运放的产生“ ”极与MOSFET 的源极相关相互作用。Ç 克一吨$R_o$$C_{gate}$

我的解决方案策略是在运算放大器和MOSFET之间引入一个驱动器级，以向栅极电容提供低得多的输出阻抗（电阻），从而将漂移极驱动到无法达到的数十或数百MHz范围内造成任何伤害。

在网上搜索MOSFET驱动器电路时，我发现大多数情况是假设人们希望尽快“完全”打开或关闭MOSFET。在我的电路中，我想在其线性区域内调制 MOSFET。因此，我找不到所需的见解。

我的问题是：“哪种驱动器电路可能适合在其线性区域内调节MOSFET的电导率？”

我看到奥林·拉斯洛普（Olin Lathrop）在另一篇文章中提到，他会不时使用一个简单的发射器跟随器来进行类似的操作，但是该帖子是关于其他内容的，因此仅是提及。我模拟了在运算放大器和栅极之间添加一个发射极跟随器，它实际上为提升稳定性创造了奇迹。但是秋天全都陷入了困境，所以我认为这并不是我所希望的那么简单。

我倾向于认为我大致需要一个互补的BJT推挽放大器，但希望能够区分MOSFET驱动器。

您能勾勒出电路的粗略参数吗？

有兴趣的进一步背景

该电路最初基于Jameco 2161107电子负载套件，最近已停产。现在，我的零件比原来的零件少了约6个：)。对于像我这样的人感兴趣的人，我当前的原型看起来像这样：)

电源（通常是被测电源）连接到正面的香蕉插孔/接线柱。PCB左侧的跳线选择内部或外部编程。左侧的旋钮是一个10圈电位器，允许选择0-3A之间的恒定负载。右侧的BNC允许使用任意波形将负载控制在1A / V的水平，例如，使用方波步进负载。两个浅蓝色电阻器组成反馈网络，并位于机加工的插座中，以便无需焊接即可更改增益。该单元当前由单个9V电池供电。

任何希望追踪我的学习脚步的人都会在这里找到我从其他成员那里获得的出色帮助：

• 在运算放大器输入之间添加电容器是否有用？
• 计算栅极电阻值以增强有源区稳定性
• 如何测试运放的稳定性？
• 为什么LTSpice不能预测这种运放振荡？
• 从运算放大器的振荡频率可以推断出什么？
• 为什么较小的步长显示更好的不稳定性？
• 如何确定运算放大器的？$R_o$
• 此肖特基二极管提供MOSFET瞬态保护吗？
• 为什么在55°相位裕量下会有60％的过冲？
• 如何测量栅极电容？

令我惊讶的是，像这样的简单项目是如此丰富的学习动机。这给了我一个机会去研究很多主题，如果没有手头的具体目标，这些主题本来就很干燥：)

这确实是一个有趣的问题，因为米勒先生会导致有效负载电容随负载电阻的变化，并且您无需对其进行过度补偿。

我怀疑偏置的推挽式BJT输出驱动器可以正常工作-可能是4个小型BJT（2个以二极管形式连接），几个偏置电阻和每个发射极退化的几个欧姆。

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

如果我这样做的话，我很想扔一个功能更强大但仍然很便宜的放大器，例如LM8261。

成果报告

好吧，简短的故事是：添加一个离散缓冲区有效！就是说，我不认为我会这样设计电路，而是建议使用@Spehro和@WhatRoughBeast的建议，而仅使用具有更高电流输出能力的运算放大器，基本上是将缓冲级构建正确进入运算放大器。

这是我使用的电路。与提供的一个@Spehro非常相似，但实际上与@gsills建议的LH0002数据表中的一个完全相同。基本上，它使用了完全相同的零件（偏置电阻值为5k而不是1k），只是使用了几个不同的连接，并且...数据表称该电路的电流增益为40,000；好吧，我的贪婪完全接管了我，因此决定选择两阶段版本：

它的模拟效果很好，因此我将其构建在5 x 7位的Veroboard上，并将其作为子板安装在我的原型中：

瞧！几乎达到1µs上升（1.120µs）的水平，而且坚如磐石，从0V到30V一点一点都没有过冲，电流从100mA上升到2.5A。

下降时间更长，为1.42µs：

$Q$$R_o$ 运算放大器的解决方案也有帮助。

因此，这绝对是一次丰富的学习经验。最终，我真的不得不为推挽式BJT放大器所困扰，现在，我对该电路的性能感到非常满意。我认为，通过调整增益以获得更多带宽，我可以降至1µs以下，也许是3而不是4的增益。

也就是说，我认为在“生产”电路中添加分立驱动器级不是最好的选择，因此我订购了一块评估板，并推荐了LM8261 @Spehro的样品。这绝对是一个令人印象深刻的运算放大器。我不知道运放这样的东西会驱动“无限电容”。数据表显示了一个驱动47nF的电路，这比我所需要的更多。

因此，一旦零件到达，我们将了解如何处理:)

虽然我总体上同意Spehro，但我认为您应该注意一些事项。

首先，您必须在电源线上添加一些去耦。9伏电池无法提供所需的性能。尝试使钽电容尽可能接近10 uF。从图片中看，似乎有一个电解槽可以提供此功能，但是您没有在原理图中显示它。更好的是，获得12伏（最好是线性）的电源，然后完全放弃电池。（请记住，您仍然需要去耦，但至少您不必担心电池电量不足。）

其次，尝试将示波器的接地连接到功率电阻的接地侧，而不是输入线。这应该没什么大不同，但是还是个好主意。

第三，Spehro太温和了-运放无法满足您的要求。首先，它的建立时间列为1.1微秒至0.1％，并且没有任何外部阶段。其次，您的门在输出端提供了370 pF的负载，这很可能是不稳定的原因。LM8261的标称建立时间为400 ns，特别是在指定负载为500 pF的情况下，是更好的选择。但是要注意-LM8261的较宽带宽会允许出现其他振荡源，因此请做好准备。pcb的布局看起来足够紧密，这应该不会有问题，但是您永远不会知道。

第四，如果您真的希望将50伏的电源加载到5安，则必须辞职以消耗250瓦的功率。30瓦只是一厢情愿。几乎可以肯定，这将需要多个FET和更大的散热片，并且可能需要强制风冷。

只是一个建议...我一直在寻找SOT23-5封装的LM8261替代品，以线性模式驱动IXTN90N25L（23nF Ciss）之类的MOSFET。发现了具有更高额定输出电流和与LM8261相似的带宽的LM7321。当然，通过消除SOT23-5限制，您可能会发现其他更高输出电流的运算放大器，只需使用ti.com选择即可。

发射极跟随器因电容性电缆负载的振荡而臭名昭著。小系列R可以使其稳定。

我将从在反馈电阻R10上贴一个电容器开始。然后为mosfet添加一个电阻分压器，以在mosfet在其线性（三极管）区域开始时对mosfet施加偏压。

我这样做的理由是：极多的运算放大器在没有电容器的情况下振荡，以限制反馈环路中的带宽。我个人认为它经常是强制性的。

如果mosfet从其线性区域开始，则运算放大器就有可能是一个良好的起点，在该起点上，它可以对变化做出缓慢的反应，而不会突然达到阈值电压。只是使阻力很大。

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}